梁文劍 閆偉偉 孔雪 黃小彬

摘要：飛機機載滅火系統(tǒng)性能仿真可有效提高系統(tǒng)設(shè)計與驗證的效率，減少研制過程的反復(fù)。本文分析飛機機載高速滅火系統(tǒng)性能需求，提出管網(wǎng)計算結(jié)合CFD分析的思路。以某型飛機發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)為例，將飛機機載高速滅火系統(tǒng)劃分為管網(wǎng)系統(tǒng)及噴射系統(tǒng)兩個部分，采用工程經(jīng)驗結(jié)合CFD仿真技術(shù)，進行系統(tǒng)性能仿真分析研究。根據(jù)試驗對比，仿真分析與試驗結(jié)果一致性較好，可有效支持飛機機載滅火系統(tǒng)的研制。

關(guān)鍵詞：機載高速滅火系統(tǒng); CFD分析; 滅火管網(wǎng); 滅火劑濃度

1 ? 引言

飛機在飛行中出現(xiàn)火災(zāi)會嚴重危害到飛行安全，一旦火災(zāi)失控勢必造成機毀人亡的重大事故。現(xiàn)代飛機對安全性提出了很高的要求，無論從適航要求還是相關(guān)頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對飛機機載滅火系統(tǒng)都有嚴格的設(shè)計要求。機載滅火系統(tǒng)作為飛機著火后的最后一道安全保障，需要快速有效滅火將危害控制到最小[1]。

目前，國內(nèi)外飛機機載滅火系統(tǒng)一般采用鹵代烷氣體滅火系統(tǒng)，其中應(yīng)用最廣泛的是halon1301固定式滅火系統(tǒng)。為了有效撲滅機上火災(zāi)，要求滅火系統(tǒng)在啟動后能夠快速噴射滅火劑，迅速達到滅火濃度并保持一定的持續(xù)時間，達到滅火效果 [2]。

目前飛機機載滅火系統(tǒng)研制的方案階段一般參考設(shè)計經(jīng)驗采用保守設(shè)計的方式確定主要設(shè)計參數(shù)。在研制過程中對設(shè)計方案進行試驗驗證，并根據(jù)試驗結(jié)果適當(dāng)進行設(shè)計優(yōu)化。這種方式導(dǎo)致系統(tǒng)研制周期過長，系統(tǒng)各項設(shè)計指標(biāo)比較保守，系統(tǒng)重量代價大。

由于機載高速滅火系統(tǒng)的滅火劑噴射是一個復(fù)雜的多相流過程，在工程實踐中對系統(tǒng)進行準(zhǔn)確的建模，計算分析系統(tǒng)各主要零部件的性能具有較大的難度。

2 ? 機載滅火系統(tǒng)簡介

飛機機載高速滅火系統(tǒng)一般包括發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)、輔助動力裝置艙滅火系統(tǒng)、行李艙滅火系統(tǒng)等。系統(tǒng)設(shè)計需要保證高可靠性、高效性、低重量成本。系統(tǒng)一般采用分布式布局，根據(jù)功能需求設(shè)置成多個獨立系統(tǒng)，并對關(guān)鍵部件采用適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計。

從系統(tǒng)組成來看，機載滅火系統(tǒng)一般包括：高壓滅火器、釋放機構(gòu)、流向閥、輸送管路、噴嘴等。[3]

3 ? 總體思路

機載高速滅火系統(tǒng)每次滅火均為一個滅火瓶向一個單獨的失火區(qū)域進行噴射。從性能分析的角度，可對各獨立小系統(tǒng)分別建模進行計算分析?？己藴缁鹣到y(tǒng)性能的最終指標(biāo)是噴射滅火劑時相應(yīng)失火區(qū)域內(nèi)的滅火劑濃度場。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定滅火系統(tǒng)噴射后滅火區(qū)域內(nèi)的滅火劑體積濃度應(yīng)達到6%并持續(xù)0.5秒以上。

滅火系統(tǒng)啟動時，滅火劑在滅火瓶劑管網(wǎng)系統(tǒng)中屬于氣液兩項的劇烈變化過程。滅火劑從噴嘴噴射進入火區(qū)后，絕大部分滅火劑完成氣化，此時主要運動為滅火劑在空氣中的擴散和摻混。由于滅火劑在管網(wǎng)中的高速流動和相變過程不易進行CFD建模仿真。本文計算滅火劑系統(tǒng)性能的方案是，將滅火系統(tǒng)性能計算分為兩個部分分別進行：管網(wǎng)性能計算和滅火劑擴散濃度場計算。通過工程經(jīng)驗方法計算滅火劑管網(wǎng)的壓力和流量，作為滅火劑濃度場計算的輸入，采用CFD方法對火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度場進行仿真。

管網(wǎng)性能計算部分采用鹵代烷1301滅火系統(tǒng)經(jīng)驗計算方法，以中期壓力作為計算點，建立滅火系統(tǒng)管網(wǎng)性能計算模型，求解出管網(wǎng)系統(tǒng)中相關(guān)節(jié)點的滅火劑壓力、流量等，分析計算結(jié)果并調(diào)整管網(wǎng)設(shè)計以實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化。滅火劑濃度場CFD仿真分析以管網(wǎng)性能數(shù)值計算結(jié)果作為輸入，對滅火劑噴射后火區(qū)內(nèi)的滅火劑濃度場、流場進行仿真，分析滅火效果得到滅火系統(tǒng)性能特性。

4 ? 性能計算

4.1 ?管網(wǎng)計算

滅火管網(wǎng)中期狀態(tài)算法是一個設(shè)計算法，基本原理是：以估算的中期壓力作為計算點，建立滅火系統(tǒng)管網(wǎng)模型，設(shè)置多個節(jié)點將管網(wǎng)劃分為多個管段，以滅火瓶為起點，逐點求解各節(jié)點壓力，得到噴嘴壓力。算法的關(guān)鍵是通過中期管網(wǎng)滅火劑百分比校核計算精度，通過噴嘴前壓力和中期容器壓力控制設(shè)計優(yōu)化方向。

分析該計算過程，管網(wǎng)的流量、管徑、壓力3個變量相互關(guān)聯(lián)，根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計目標(biāo)流量可以得到設(shè)計管徑，因此根據(jù)已知的管網(wǎng)系統(tǒng)，可以采用類似的計算方法計算出管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力和流量，從而得到準(zhǔn)確的管網(wǎng)系統(tǒng)流量即各噴嘴的噴射速率。

滅火系統(tǒng)管網(wǎng)性能計算的管徑設(shè)計算法計算步驟如下，計算流程圖見圖2所示。初始流量根據(jù)工程經(jīng)驗，為了提高計算效率，按公式（2）進行管徑的初始化[4][5]。

4.2 ?滅火劑濃度仿真

滅火劑在火區(qū)內(nèi)的濃度場采用流體計算軟件Fluent進行模擬。首先構(gòu)建滅火區(qū)域的幾何模型，并對火區(qū)內(nèi)的設(shè)備及結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化，忽略次要小零部件。網(wǎng)格劃分一般采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后將網(wǎng)格文件輸入Fluent中，設(shè)置湍流模型、物質(zhì)輸運模型、離散相模型等。設(shè)置滅火劑液滴材料、滅火劑氣態(tài)材料、混合物材料以及滅火噴嘴模型等。噴射采用非穩(wěn)態(tài)計算，計算時間步長一般不大于0.1s。

根據(jù)滅火噴嘴的噴孔技術(shù)參數(shù)、噴嘴布置以及在管網(wǎng)計算中得出的噴嘴壓力、流量，設(shè)置滅火劑濃度場模擬分析模型。觀察滅火劑從滅火噴嘴噴出后火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度場隨時間的變化情況，判斷滅火劑濃度是否達到設(shè)計要求，分析滅火劑的濃度分布，給出噴嘴布置優(yōu)化的建議。

以某型飛機發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)為例，建立仿真計算幾何模型、網(wǎng)格模型見圖3所示。

根據(jù)滅火劑濃度場分析模擬結(jié)果，分析滅火劑噴射后火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度場隨時間的變化情況。圖4示出算例中滅火劑噴射后第1秒和第5秒時火區(qū)內(nèi)的滅火劑濃度分布情況。從圖中可以看出，噴射滅火劑后，滅火噴嘴周圍的滅火劑濃度開始迅速上升，到第5秒，整個火區(qū)都充滿了滅火劑，滅火劑濃度均達到6%體積濃度要求。

5 ? 試驗對比

在試驗室簡歷全尺寸試驗臺，采用真實的機載滅火系統(tǒng)試驗件，1：1火區(qū)實驗艙模型，并對飛機巡航過程中火區(qū)內(nèi)的通風(fēng)氣流進行模擬。在火區(qū)內(nèi)設(shè)置多個滅火劑濃度測量點，監(jiān)測火區(qū)內(nèi)各部位滅火劑濃度的變化情況，與仿真結(jié)果進行對比。

實驗結(jié)果顯示，滅火劑開始噴射后4～6秒，火區(qū)內(nèi)滅火劑迅速上升并達到峰值濃度，所有監(jiān)測點全部超過10%體積濃度，之后滅火劑濃度緩慢下降。6個監(jiān)測點的滅火劑濃度變化情況見圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，滅火劑噴射后5秒左右，發(fā)動機艙內(nèi)的滅火劑濃度達到峰值，最高約16%，稍高于試驗實測值，見圖6所示。綜合試驗臺及測量設(shè)備的誤差，試驗實測滅火劑濃度場與仿真計算結(jié)果基本相符。

6 ? 結(jié)語

本文以某型飛機發(fā)動機艙固定式滅火系統(tǒng)為例，通過工程經(jīng)驗算法結(jié)合CFD技術(shù)，分別對機載滅火系統(tǒng)管網(wǎng)及火區(qū)滅火劑濃度場進行計算分析。對比試驗數(shù)據(jù)，計算結(jié)果與試驗情況符合性較好，可以用于支持飛機機載高速滅火系統(tǒng)設(shè)計。

作者簡介：

梁文劍，（1984.5-），男，布依族，貴州省貞豐縣，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向或從事工作：飛機防滅火設(shè)計。

參考文獻：

[1] ? 王 ?偉，王 ?喆.固定式氣體滅火系統(tǒng)安全問題分析與對策[J].科技信息，2007，（30）：344-345.

[2] ? 飛機防火滅火系統(tǒng)通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編號：HB7253-1995[S].中國航空工業(yè)總公司，1995.

[3] ? 陳嵩祿等.《飛機設(shè)計手冊》第13分冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：435-473.

[4] ? GB 50163-92《鹵代烷1301 滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[S].中華人民共和國公安部，1992.

[5] ? 公安部天津消防科研所.Y2系列鹵代烷固定滅火系統(tǒng)[Z].